(SARS-CoV-2-Immagine Credit Public Domain).
Le simulazioni mostrano che le onde ultrasoniche a frequenze di imaging medico possono causare il collasso e la rottura del guscio e delle punte del virus SARS-Co-2.
La struttura del coronavirus è un’immagine fin troppo familiare, con i suoi recettori superficiali densamente compatti che ricordano una corona spinosa. Queste proteine spike si attaccano alle cellule sane e innescano l’invasione dell’RNA virale. Sebbene la geometria del virus e la strategia di infezione siano generalmente comprese, si sa poco sulla sua integrità fisica.
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Un nuovo studio condotto da ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT suggerisce che i coronavirus possono essere vulnerabili alle vibrazioni ultrasoniche, all’interno delle frequenze utilizzate nell’imaging diagnostico medico.
Attraverso simulazioni al computer, il team ha modellato la risposta meccanica del virus alle vibrazioni su una gamma di frequenze ultrasoniche. I ricercatori hanno scoperto che le vibrazioni tra 25 e 100 megahertz hanno innescato il collasso del guscio e delle punte del virus che iniziano a rompersi in una frazione di millisecondo. Questo effetto è stato osservato nelle simulazioni del virus nell’aria e nell’acqua.
I risultati sono preliminari e si basano su dati limitati sulle proprietà fisiche del virus. Tuttavia, i ricercatori affermano che i loro risultati sono un primo suggerimento per un possibile trattamento a base di ultrasuoni per i coronavirus, incluso il nuovo virus SARS-CoV-2. Come potrebbero essere somministrati esattamente gli ultrasuoni e quanto sarebbero efficace nel danneggiare il virus all’interno della complessità del corpo umano, sono tra le principali domande che gli scienziati dovranno affrontare in futuro.
“Abbiamo dimostrato che sotto l’eccitazione degli ultrasuoni il guscio e le punte del coronavirus vibreranno e l’ampiezza di quella vibrazione sarà molto grande, causando danni visibili al guscio esterno e possibilmente danni invisibili all’RNA all’interno “, afferma Tomasz Wierzbicki, Professore di meccanica applicata al MIT. “La speranza è che il nostro documento possa avviare una discussione in varie discipline”.
I risultati del team vengono visualizzati online nel Journal of the Mechanics and Physics of Solids. I coautori di Wierzbicki sono Wei Li, Yuming Liu e Juner Zhu del MIT.
Un guscio appuntito
Mentre la pandemia di Covid-19 ha preso piede in tutto il mondo, Wierzbicki ha cercato di contribuire alla comprensione scientifica del virus. Il suo gruppo si concentra sulla meccanica solida e strutturale e sullo studio di come i materiali si fratturano sotto varie sollecitazioni e deformazioni. Con questa prospettiva, Wierzbicki si è chiesto cosa si potesse imparare sul potenziale di frattura del virus.
Il team di Wierzbicki ha deciso di simulare il nuovo coronavirus e la sua risposta meccanica alle vibrazioni. I ricercatori hanno usato semplici concetti della meccanica e della fisica dei solidi per costruire un modello geometrico e computazionale della struttura del virus, che hanno basato su informazioni derivate dalla letteratura scientifica, come immagini microscopiche del guscio e delle punte del virus.
Da studi precedenti, gli scienziati hanno mappato la struttura generale del coronavirus. Questa struttura è costituita da un guscio liscio di proteine lipidiche e da recettori a forma di punta densamente impacchettati che sporgono dal guscio.
Con questa geometria in mente, il team ha modellato il virus come un sottile guscio elastico ricoperto da circa 100 punteanch’esse elastiche. Poiché le proprietà fisiche esatte del virus sono incerte, i ricercatori hanno simulato il comportamento di questa semplice struttura attraverso una gamma di elasticità sia per il guscio che per le punte.
“Non conosciamo le proprietà del materiale delle punte perché sono minuscole – alte circa 10 nanometri”, afferma Wierzbicki. “Ancora più sconosciuto è cosa c’è dentro il virus, che non è vuoto ma pieno di RNA, che a sua volta è circondato da un guscio proteico del capside. Quindi questa modellazione richiede molti presupposti”.
“Siamo fiduciosi che questo modello elastico sia un buon punto di partenza”, afferma Wierzbicki. “La domanda è: quali sono gli stress e i ceppi che causeranno la rottura del virus?”.
Il crollo della corona di SARS-CoV-2
Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno introdotto vibrazioni acustiche nelle simulazioni e hanno osservato come le vibrazioni si increspassero attraverso la struttura del virus attraverso una gamma di frequenze ultrasoniche.
Il team ha iniziato con vibrazioni di 100 megahertz, o 100 milioni di cicli al secondo, che hanno stimato essere la frequenza di vibrazione naturale del guscio, in base a ciò che è noto sulle proprietà fisiche del virus.
Quando hanno esposto il virus a eccitazioni ultrasoniche a 100 MHz, le vibrazioni naturali del virus non erano inizialmente rilevabili. Ma in una frazione di millisecondo le vibrazioni esterne, in risonanza con la frequenza delle oscillazioni naturali del virus, hanno fatto piegare il guscio e le punte verso l’interno, in modo simile a una palla che si increspa mentre rimbalza sul terreno.
Man mano che i ricercatori hanno aumentato l’ampiezza o l’intensità delle vibrazioni, il guscio potrebbe rompersi, un fenomeno acustico noto come risonanza che spiega anche come i cantanti lirici possono rompere un bicchiere di vino se cantano alla giusta altezza e volume. A frequenze inferiori di 25 MHz e 50 MHz, il virus si è deformato e fratturato ancora più velocemente, sia in ambienti simulati di aria, sia di acqua ambienti simile per densità ai fluidi nel corpo.
“Queste frequenze e intensità rientrano nell’intervallo utilizzato in modo sicuro per l’imaging medico”, afferma Wierzbicki.
Per perfezionare e convalidare queste simulazioni, il team sta lavorando con microbiologi in Spagna, che stanno utilizzando la microscopia a forza atomica per osservare gli effetti delle vibrazioni ultrasoniche su un tipo di coronavirus presente esclusivamente nei suini. Se sarà possibile dimostrare sperimentalmente che gli ultrasuoni danneggiano i coronavirus, incluso SARS-CoV-2 e se sarà possibile dimostrare che questo danno ha un effetto terapeutico, il team prevede che l’ecografia, che è già utilizzata per rompere i calcoli renali e per rilasciare farmaci trasportati da liposomi, potrebbero essere utilizzati per trattare e possibilmente prevenire l’infezione da coronavirus. I ricercatori prevedono anche che i trasduttori a ultrasuoni miniaturizzati, inseriti nei telefoni e in altri dispositivi portatili, potrebbero essere in grado di proteggere le persone dal virus.
Wierzbicki sottolinea che ci sono molte più ricerche da fare per confermare se gli ultrasuoni possono essere un trattamento efficace e una strategia di prevenzione contro i coronavirus. Mentre il suo team lavora per migliorare le simulazioni esistenti con nuovi dati sperimentali, ha in programma di concentrarsi sui meccanismi specifici del nuovo virus SARS-CoV-2 in rapida mutazione.
“Abbiamo esaminato la famiglia generale del coronavirus e ora stiamo esaminando in modo specifico la morfologia e la geometria di SARS-CoV-2”, afferma Wierzbicki. “Il potenziale è qualcosa che potrebbe essere grande nell’attuale situazione critica”.
